[論文レビュー] Observation of the out-of-plane polarized spin current from CVD grown WTe2

Shuyuan Shi, Jie Li+12 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2021

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、非中心対称のTd相構造と強いスピン軌道カップリングを有する、センチメートルスケールの化学蒸着法(CVD)成長によるWTe2薄膜を用いて、面外方向に偏光したスピン電流の生成を実証した。スピントルク誘起磁気共鳴(ST-FMR)を用いて、5 nm 厚のCVD成長WTe2における面内および面外スピン電導度をそれぞれ 7.36 × 10³ (h/2e) (Ω·m)⁻¹ および 1.76 × 10³ (h/2e) (Ω·m)⁻¹ として測定し、室温においてWTe2/NiFeヘテロ構造で電流誘起磁化スイッチングを実現した。

ABSTRACT

Weyl semimetal Td-phase WTe2 possesses the spin-resolved band structure with strong spin-orbit coupling, holding promises as a useful spin source material. The noncentrosymmetric crystalline structure of Td-WTe2 endows the generation of the out-of-plane polarized spin, which is of great interest in magnetic memory applications. Previously, WTe2 was explored in spin devices based on mechanically exfoliated single crystal flakes with a size of micrometers. For practical spintronics applications, it is highly desirable to implement wafer-scale thin films. In this work, we utilize centimeter-scale chemical vapor deposition (CVD)-grown Td-WTe2 thin films and study the spin current generation by the spin torque ferromagnetic resonance technique. We find the in-plane and out-of-plane spin conductivities of 7.36 x 10^3 (h/2e) (ohm-m)^-1 and 1.76 x 10^3 (h/2e) (ohm-m)^-1, respectively, in CVD-growth 5 nm-WTe2. We further demonstrate the current-induced magnetization switching in WTe2/NiFe at room temperature in the domain wall motion regime, which may invigorate potential spintronic device innovations based on Weyl semimetals.

研究の動機と目的

• スケーラブルなスピントロニクス応用を目的として、ウェーパースケールのCVD成長WTe2薄膜におけるスピン電流生成を実証すること。
• 非中心対称結晶構造と強いスピン軌道カップリングに起因するTd相WTe2における面外スピン偏光を測定すること。
• CVD成長WTe2を実用的スピントロニクス素子におけるスピン源材料として、室温でも実用可能であることを検証すること。
• ドメイン壁の運動を介して、WTe2/NiFeヘテロ構造における電流誘起磁化スイッチングを検討すること。

提案手法

• サファイア基板上に、センチメートルスケールで5 nm 厚のTd相WTe2薄膜を化学蒸着法(CVD)で成長させた。
• スピン電流の生成とスピン電導度の測定を、スピントルク誘起磁気共鳴(ST-FMR)を用いて行った。
• ST-FMR信号の角度依存性解析を用いて、面外および面内のスピン電導度を抽出した。
• スピン電流の注入によりWTe2/NiFeヘテロ構造で磁化スイッチングを誘起し、ドメイン壁運動領域におけるスイッチングダイナミクスを分析した。
• Td-WTe2の非中心対称結晶構造を活用して、面外方向に偏光した電流を生成した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CVD成長WTe2薄膜で面外に偏光したスピン電流を生成できるか。これにより、スケーラブルなスピントロニクス応用が可能になるか。
• RQ2 CVD成長5 nm WTe2薄膜における面内および面外スピン電導度はそれぞれどの程度か。
• RQ3 WTe2から供給されるスピン電流を用いて、室温でWTe2/NiFeヘテロ構造における電流誘起磁化スイッチングを達成できるか。
• RQ4 CVD成長WTe2におけるスピン偏光は、機械的剥離法で得たフラクタルと比較して、スピン輸送効率がどのように異なるか。

主な発見

• CVD成長5 nm WTe2の面内スピン電導度は 7.36 × 10³ (h/2e) (Ω·m)⁻¹ として測定された。
• 同様の薄膜における面外スピン電導度は 1.76 × 10³ (h/2e) (Ω·m)⁻¹ として測定された。
• ST-FMR信号の角度依存性から、面外スピン電流が確認され、薄膜面に対して垂直なスピン偏光が示された。
• 室温において、WTe2/NiFeヘテロ構造で電流誘起磁化スイッチングが成功裏に実証された。
• 結果から、CVD成長WTe2は強い面外偏光を有するスピン電流の供給源として実用可能であり、スピントロニクス素子に適していることが確認された。
• 本研究は、ウェーラー半金属を基盤とするスピン源をウェーパースケールで実用的なスピントロニクス技術に統合する道筋を確立した。